电动汽车轮毂电机散热规律

1、电动汽车轮毂电机散热规律电动汽车； 轮毂电机； 计算流体力学； 传热系数； 散热 规律Heat dissipation law of electric vehicle in-wheel motorJIANG Congxi1，2a， ZHAO Lanping1 ， 2， MIAO Lu1，2a， YANG Zhigang1， 2， 3(1. Shanghai Key Lab of Vehicle Aerodynamics and Vehicle Thermal Management Systems ， Shanghai 201804 ， China ；2. a. Shanghai Automot

2、ive Wind Tunnel Center； b.School of Mechanical Engineering， Tongji University，Shanghai 201804 ， China ； 3AC Beijing AeronauticalScience & Technology Research Center ， Beijing 102211 ， China )Computational fluid dynamics method is used to simulate the heat dissipation law of in-wheel motor of electri

3、c vehicle. The heat transfer coefficient and temperature of each motor surface are obtained as well as distribution and variation of the air mass flow of eachwheel. The results show that， the front wheel motor isgreatly affected by front-end heat dissipation module；the shell temperature of the right

4、 front wheel motor is higher than that of the left front wheel and rear wheel motor ； the surface heat transfer coefficient of the front wheel motor is obviously bigger than that of the rear wheel. With the increase of speed， more cooling gas is produced ， and the surface heat dissipation of the mot

5、or is improved.electric vehicle ； in-wheel motor ； computational fluid dynamics ； heat transfer coefficient； heatdissipation law收稿日期： 2017-05-25修回日期： 2017-10-16 基金?目： 上海市地面交通工具风洞专业技术服务平台项目（16DZ2290400）江从喜（1991），男，安徽滁州人，硕士研究生，研究方 向为汽车热管理及汽车空气动力学，（ E-mail ） congxijiang0410163 ；赵兰萍（ 1967），女，上海人，副教授，博士，

6、研究方向 为汽车热管理及流动换热，（ E-mail ） lanping.zhaosawtc通信作者：杨志刚（1961），男，辽宁鞍山人，教授，博士，研究方向为空气动力学及热管理，（ E-mail ）zhigang.yangsawtc0 引 言电动汽车的驱动电机可直接安装在驱动轮上， 各电动轮的驱 动力独立可控， 既灵活又方便， 有利于提高车辆在恶劣路面条件 下的行驶性能和主动安全性能。 1 然而，传统汽车的前围和轮 包结构不能很好地满足这种分布式驱动电机轮边驱动和制动系 统的通风散热要求。 如果电机的通风冷却设计不合理， 电机温度 就不能保持在合理的范围内， 导致电机性能下降， 甚至造成电机

7、的损毁。 因此，对电动汽车轮毂电机通风散热条件及散热规律的 研究，是分布式驱动电动汽车电机热管理急需解决的关键问题之 一。国内外对电动汽车电机热特性进行过大量研究。在国外：DEMETRIADE等2用热网格法对额定转速为 3 560 r/min 的电 机进行研究，采用 Simulink 建立实时模型，将实验采集到的电 子数据实时输入到模型中计算损耗和温度； JIH 等3 建立混合 动力车电机热管理系统计算流体力学模型， 用模拟手段指导车辆 设计。在国内：杨金霞等 4 对一台 30 kW 的无刷直流电机的二 维温度场进行仿真和分析， 并与其试验数据进行对比， 对研究降 低电机温升有一定实用价值；刘

8、伟亮等 5 对采用电磁场量计算 电机损耗的方法以及采用热路和热场计算电机温升进行研究。 现 有研究成果都是在单电机、假设电机各表面的来流为均匀气流、速度与车速相等的情况下完成的， 针对电机在整车环境下的温度 场研究很少。 在整车行驶条件下，考虑内流和前端模块 热源的影响， 本文对前、 后 4 个轮毂电机的散热规律进行研究和 分析，为轮毂电机热管理提供依据。1 轮毂电机驱动系统散热在电动汽车行驶过程中， 轮毂电机会向外界散发热量： 一部 分热量通过对流散热由空气带走； 一部分热量以热传导的方式通 过连接轴和电机与车轮连接部件带走； 辐射散热所占比例很小可 忽略不计 6 ；剩余部分热量产生电机温升

9、。对流散热的气流由 电动汽车内流和外流共同组成， 前方来流经过进气格栅， 一部分 经过前端冷凝器和散热器变成高温冷却气体， 从前轮后部和底盘 流向车尾，另一部分气体绕过车身，从前轮外部流进车轮，形成 外流冷却气体。轮毂电机驱动系统热分析示意见图 1。图 1 轮毂电机驱动系统热分析示意 在电动汽车行驶过程中，轮毂电机是电动汽车的主要热源， 其工作时所产生的损耗将转变为热能， 使电机温度升高。 轮毂电 机MAPffl见图2,其主要反映不同转速、扭矩下的轮毂电机效率 分布，并可得到轮毂电机的热源损耗值。图2轮毂电机MAP图前方来流流进进气格栅， 经过前端冷凝器和散热器时变成高 温冷却气体。热交换器压

10、降曲线 7 见图 3。图 3 热交换器压降曲线2 计算流体力学数值计算方法采用 HyperMesh 划分整车面网格，见图 4。由于电动汽车的 轮边结构及电机较为复杂， 因此采用非结构化四面体网格。 整车 计算域设置为 14倍车长、 10 倍车宽、 5倍车高（见图 5）8 ， 尺寸为62 mK 14 mK 7.5 m整车的体网格数量约为 1 200万个。采用有限体积法对通用控制方程进行离散， 壁面采用非平衡 壁面函数，湍流模型选用高雷诺数的k- 两方程模型，离散方程组的压力和速度耦合采用SIMPLE算法，空间离散格式为2阶迎风格式。风扇设置采用多 参考坐标系（multiple referenee

11、 frame ，MRF方法。车轮和 轮毂电机设置为旋转壁面， 地面设为移动壁面， 其他固体壁面均 设为光滑、无滑移、不可穿透的壁面。计算域入口为速度入口， 计算域出口为压力出口。 考虑流固耦合传热， 环境温度为 300 K， 在FLUENT中?O置电机各部分的材料物性参数后，运用流场和温 度场耦合的方式进行计算。图 4 整车面网格图 5 计算域3 计算结果3.1 前舱流场 轮毂电机驱动系统紧贴制动器热源。由于轮毂电机结构特 殊，很难采用水冷方式散热， 因此目前仍采取风冷散热方式。 9以电动汽车 50 km/h 等速巡航的工况为例，研究轮毂电机电动汽车前舱流场情况， 前舱水平中截面流线与速度流场

12、分布见图 6。由此可知，冷却气流流经前端冷却模块后，在风扇抽吸作用 下加速， 经过风扇排出的气流直接吹向电控设备， 带走散热器的 大部分热量。由于前舱结构不对称，气流流向右侧更多，流经区 域的温度较高， 因此前舱左、右轮边驱动系统的温度场也不对称。图 6 前舱水平中截面流线与速度场分布 前舱水平截面温度场与流线分布见图7。经过前端冷却模块的气体温度达到355 K左右，左、右前轮的电机和制动器等部件 的温度场差异较明显，右侧最高温度比左侧高10 K。从图7b)中可以看出，受电控元件的阻挡，其后面区域的空气流速变慢， 导致温度升高， 高温气体直接吹向右轮的轮边驱动系统。 由此可 见，合理布置前舱部

13、件，尽量使高温冷却气体从底盘流出，减少 其对电机温度的影响十分重要。图 7 前舱水平截面温度场与流线分布， K3.2 轮毂电机外表面温度场对比 左前轮电机外壳温度分布见图 8。轮毂电机表面的最高温度 为318 K，发生在与电机轴平行的侧面外壳处，此处最接近热源，温度最高；外壳内侧中心温度最低，为310 K，从中心向边缘逐渐升高。图 8 左前轮电机外壳温度分布， K风扇的旋转以及前舱布置的不对称， 使得经过前端冷却模块 的高温气流不均匀地流向左、右前轮，因此左、右电机温度分布 产生较大差异。右轮电机外壳最高温度为 328 K,比左轮高10 K,分布规律基本相同。右前轮电机外壳温度分布见图 9。图

14、 9 右前轮电机外壳温度分布， K 左、右后轮电机外壳温度分布分别见图 10 和 11。由此可知： 左、右后轮电机外壳温度差异不大，考虑计算误差，两者温度变 化可认为基本一致。前、后轮电机表面温度对比见表 1，后轮电 机表面最高温度为323 K，略高于左前轮最高温度（318 K）, 低于右前轮最高温度（ 328 K）。图 10 左后轮电机外壳温度分布，K图 11 右后轮电机外壳温度分布，K表 1 前、后轮电机表面温度对比K从流场通风散热情况来看， 由于前轮电机附近表面空气流速 高于后轮， 通风散热条件更好， 因此左前轮电机表面温度低于后 轮。受前舱高温冷却气体的影响，右前轮电机散热情况最差，表

15、 面温度最高。3.3 在不同车速下各车轮的空气质量流量变化 在不同车速下，前轮左、右电机表面的最高温度相差不大， 但在低速阶段， 右轮电机温度比左轮电机温度略高； 左后轮与右 后轮温度场分布基本一致。 由于后轮表面空气流速较低， 电机外 壳上的热量无法及时被空气带走， 因此后轮电机外壳的温度一直 高于左前轮电机外壳温度， 低于右前轮电机外壳温度。 虽然前轮 电机表面空气流速高， 但气流温度相对较高， 不利于电机内部的 热量散出。从车轮外部进入前舱的冷却气流对电机的通风散热有重要 影响，在理想情况下，进气量越大，对散热越有利。在不同车速 下车轮横向空气质量流量见图 12，可以看出，右前轮空气流量

16、 最大。前端内流是高温气体，大部分流向右前轮，使得右前轮电 机温度高于左前轮电机温度。 左前轮与左后轮的空气流量在低速 时相差不大。随着车速的增加，受内流的影响，左前轮的进气量 明显增加。由此可见，内流对轮边流场和热管理有重要影响。 10 图 12 在不同车速下车轮横向空气质量流量在电动汽车车身造型设计过程中， 应尽量使电动汽车前方来 流向前轮靠拢，增加进气量。可以在汽车前端开孔，引气流流向 电机表面； 也可以优化轮辐和轮罩的结构， 增加轮边冷却空气的 进气量。3.4 前端模块对轮毂电机温度场的影响 分析前端冷却气体对前轮电机的影响程度，以电动汽车 50 km/h 匀速行驶为工况，将前端冷却模

17、块的热源关闭，重新计算 整车三维温度场，并与电机温度分布进行对比。在不考虑前端气流温度的情况下， 右前轮电机外壳温度分布 见图 13。由此可知，电机外壳的温度大大降低，右前轮电机外 壳平均温度在 314 K 左右，比考虑前端进气时低 10 K 左右，内 侧外壳也比考虑前端进气时低 10 K 左右。在研究轮边驱动系统 热管理时，要充分考虑经过前舱的高温冷却气体对前轮电机的影 响。图 13 右前轮电机外壳温度分布， K 前端冷却气体的流速和温度均会影响前轮电机的温度场， 在 车速为 50 和 100 km/h 工况下，前轮水平中截面温度场分布分别 见图 14 和 15。图 14 50 km/h 车

18、速下前轮水平中截面温度场分布， K 图 15 100 km/h 车速下前轮水平中截面温度场分布， K 从图14b）可以看出，在车速为 50 km/h时，前 端冷却气体对右轮温度带来恶劣的影响， 高温气体从制动器 与轮胎之间直接流向轮毂电机， 使得右侧轮边驱动系统各部件温 度普遍升高。从图14a）可以看出，左轮前端气体直接流向后轮， 对前轮影响较小，而在车速提高到 100 km/h 时，左、右轮边驱 动系统的温差已经减小。前舱冷却气体会使前轮电机的平均温度升高。 在车速较低的 情况下，较多的冷却气体使电机温度变高，随着车速的增加，这 种影响逐渐降低； 在车速较高的情况下， 流速成为影响温度的主

19、要因素，较多的冷却气体使电机表面散热情况变好。3.5 轮毂电机表面散热规律在不同车速情况下， 电动汽车电机产生的损耗不同。 随着车 速的增加， 损耗会逐渐增大， 同时电动汽车前端进气流量和冷却 气体的温度会变化， 轮毂电机表面空气流速、 横向流过车轮的空气流量也会发生变化。 温度场的形成是以上诸多因素综合作用的对流散热的热量由圆柱形电机外壳 3 个表面的对流散热量 共同组成。由于在不同车速下不同表面对流散热量所占比例基本 相同，因此取其在不同车速下的平均值分析散热情况。 前轮电机 外壳散热量分布见图 16。左前轮电机侧面外壳散热量最多（占 37%），内、外侧外壳散热量相差不大。左、右前轮电机外

20、侧外 壳散热量均占 29%，说明外流对左、右前轮电机影响相同。由于 高温内流冷却气体的影响， 右前轮电机内侧外壳散热量低于左前 轮电机。由此可知，内流对左前轮电机影响较小，对右前轮电机 影响较大，左前轮电机侧面和外侧的散热量主要受电动汽车外流 场影响。图 16 前轮电机外壳散热量分布后轮电机外壳散 ?岱植技 ?图 17，左、右电机散热量分布基 本相同。 由于左后轮内流流速较低， 内侧外壳和侧面外壳散热量 所占比例分别为 30%和 25%。外侧外壳散热量最多，左、右轮电 机外侧外壳散热量分别占 34%和 33%。由此可知，前轮轮边系统 会降低气流对后轮的影响，右前轮气流量更大，温度更高，导致 右后轮外侧散热条件比左后轮差。 因此， 外流是影响后轮电机散 热的主要因素。图 17 后轮电机外壳散热分布 表面传热系数的大小取决于流体的物性，换热表面的形状、大小和布置，与流速也有密